昨天海兄发文报道美国核聚变取得重大突破，标题非常惊悚。我一直认为这是一个对人类来说非常重要的课题，一旦突破足以引发第4次工业革命。所以长时间来一直很关注这方面的信息。昨天看了美国能源部一大早发布的40分钟重大消息，有种反高潮的失落感和幻灭感。因为社交媒体提前一天就为后面的高潮布局造势，预告第2天能源部有关核聚变有重大发布。但真的等到第2天却令人失望。整场发布会就是五六个女人效仿好莱坞颁奖仪式，轮番上阵自吹自擂，与其说是科学发布会，还不如说是一场时装秀和政治秀。




惯性约束核聚变 6park.com
刚刚注意到海兄昨天发文。喵了喵后面的一连串的回复，似乎没有一个人看明白这是没有科学实质的一场政治秀。虽然有许多不假思索的粉红们延续了他们对任何来自美国消息的习惯性质疑，但似乎也没有一个人能够清晰的识破背后的伎俩。大家显然都被这样美国科技史上都前所未有的高大上表演彻底震慑住了。许多社交媒体上的博主们为了争头功，还没来得及自己先把要说的话搞清楚就都开始以讹传讹，开始喋喋不休，滔滔不绝的大唱赞歌，甚至担心中国已经快要被人卡脖子了。其实这些人自己也不明白说了啥。所以看完他们的视频和贴文大家也是一头雾水。 6park.com



既然如此，我觉得有必要对有些事实作一些澄清，用大家听得懂的话把这件事说清楚：

确实有“核聚变点火”的这个说法，而核聚变其实不止是利弗莫尔国家实验室的这种激光点火方式，还有一种磁场中聚变的的方式，这两种方式可以归纳为如下：

1、磁约束核聚变；

2、惯性约束核聚变；

这两种方式都是目前全球科学家正在全力突破的方向，但路线却大不相同，甚至大相径庭，下面就对这两种方式做个简单介绍，看完大家就能知道这个原理是什么、难度如何、目前的进度怎样，未来的应用层面又是怎样。

很多科普文中介绍的核聚变都将其形容为太阳的力量，但事实上太阳上发生的核聚变和人类目前在突破的核聚变完全不是一回事，下面打算几句话把这个区别说清楚：

1、氢有三种同位素，分别是氕、氘、氚，

2、太阳上发生的过程是氕氕变成氘，再氕氘聚变；

3、人类目前在突破的是氘氚聚变；
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太阳上发生的质子链反应过程，原理是在极端的超高温和超高压条件下，氢的同位素质子聚合到一起生成一个新的原子核，






太阳核聚变
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而在生成新原子核过程中，其质量大约会少一丢丢（大约在0.7%）左右，而丢失的这部分质量就会通过质能公式转换为能量！ 6park.com

不要以为这个能量很少，只要产生1g的质量亏损就大约相当于2万吨TNT爆炸的能量，而这大约需要100g氘氚物质聚变，威力之大难以想象，如果无法理解的话试着理解下氢弹为什么会有那么大威力即可。

受控核聚变是怎么实现的？磁约束还是惯性约束？核聚变需要超高温与超高压的环境，因为只有在这样才能让原子核靠得更近从而形成聚变条件，在氢弹中是利用原子弹爆炸形成的X射线在外壳材料的反射聚焦下对氘氚物质进行压缩，从而达到聚变条件。 6park.com

氢弹核聚变
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但要是受控的核聚变堆中肯定不能这样操作，毕竟原子弹一引爆，所有的结构都被摧毁了！所以天才的科学家在核聚变发展道路上有两种思路来解决这个非常麻烦的问题：

第一个方法：利用磁场约束高温等离子体
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这个原理是将氘氚气体加热到等离子状态，此时的离子流是带电的，然后再用强大的磁场控制这个离子流，并且对其不断加热，直至其发生聚变反应，整个反应室被抽成真空，在磁场的控制下不接触内壁，隔绝高温。

磁约束高温等离子体 6park.com
氘氚持续反应后的氦气从一侧被引出，而另一侧则引入高温的氘氚等离子体进入等离子流继续聚变反应，聚变后的高温通过辐射被反应室内壁吸收用来加热介质，可以是中间传热物质或者直接加热水，产生蒸汽通过管道推动蒸汽轮机再带动发电机源源不断的输出电能。 6park.com
ITER：国际热核聚变装置 6park.com
这就是理想的聚变“反应炉”的工作过程，它的典型结构就是各位熟悉的托卡马克，这是天才的前苏联科学家想出来的结构，经过半个多世纪的改良，目前的全球35个国家的科学家在法国南部夜以继日突破的ITER的基本结构也是托卡马克结构。

从2007年成立以来一直到现在还在折腾，各位从中也可以了解到，磁约束核聚变难度不是一般的高，主要问题集中在超高温等离子体的稳定约束时间这个难题上，因为在极端高温下的等离子体其电动力学性能相当复杂，很容易就会突破磁场的约束从而破裂，轻则约束失败，重则内壁被烧一个大洞，导致装置重大毁损事故。


  Iter托卡马克线圈。 6park.com
为了产生这个强大的控制磁场，ITER中产生磁场的线圈使用了超导材料，2019年界面新闻曾报道中国向国际热核聚变实验堆（ITER）的交付的首个大型超导磁体线圈——重达400吨的极向场6号线圈成功，当然ITER远不止一个线圈。中国承担的任务除了线圈，还有内腔耐高温的第一壁。 6park.com

托卡马克 6park.com
ITER的目标是将等离子体加热到10亿度并维持超过500秒的时间，此时这些等离子体将会发生核聚变并产生大约500MW的能量，当然到现在为止它还没开机呢，目前正在加紧建设中，预计到2025年将会首次开机测试等离子体控制，到2035年才会开始氘氚聚变实验。

第二个方法：激光加热致热核聚变

与磁场约束超高温等离子体相比，激光致热核聚变的方式显然更为暴力与直接，而全球最大且最知名的装置要数美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置（NIF）,这个装置的中心是一粒直径4.4毫米的靶标，中心则是一个更小的含有氘氚气体的“胶囊”。 6park.com

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4.4毫米氘氚胶囊 6park.com
而在它的周围是以一个设计了192束、总功率高达500太瓦的激光，在1微微秒内击中靶丸，中心包裹的氘氚气体在瞬间将被“点燃”聚变，看着是不是很容易？事实上这个结构可复杂了，因为直接用激光加热靶丸的效果并不好，需要将激光倍频转换成紫外波段。

这个倍频在到达靶丸前的倍频转换器中完成，由磷酸二氢钾单晶切割而成的薄片（约1厘米厚）制造，1053纳米的红外激光穿过第一张薄片时会被转换成527纳米（绿色）激光，通过第二张薄片时将转大部分527纳米和剩余的1053纳米激光转换成351纳米(UV：紫外) 激光。转换效率约为50%略少一些，4MJ的能量抵达靶丸时只剩下1.8MJ。 6park.com

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192束激光轰击胶囊 6park.com
2022年12月11日，输入1.8MJ能量，输出约2.5MJ，这是国家点火装置自2012年射出第一束激光以来第一得到Q值大于1的试验。

Q值就是聚变能量增益因子（Fusion energy gain factor），用符号Q表示，是核聚变反应所产生能量与维持反应器等离子体稳态的输入装置能量之比。 当Q = 1 ，聚变反应所释放的功率等于维持反应所需的加热功率时， 称为收支平衡。
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当然Q值不能只大于1，而且要远远大于1，各位知道为什么吗？原因很简单，因为NIF产生这4MJ的激光，其输入能量高达422MJ，而据Science Media Centre网站上的报道，输入能量加上损耗等后还高达500MJ，等于这个真正的Q值为0.005。估计这就让大家傻眼了吧，假如要打个比方的话，就是启动一台喷气式飞机的发动机并让打开加力，结果却点了一根烟。

Q值为1.5的核聚变
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与磁约束核聚变很容易将能量导出并用来加热介质不一样，惯性约束核聚变装置很难将能量导出是个非常麻烦的问题。简单说就是中看不中用，跟美帝的其他东西类似。不像咱们中国的托卡马克，一开始设计就是冲着商用和发电去研发的。
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中国在上世纪90年代就制定了其核聚变发展的三个步骤。分为热堆，快堆，聚变堆三步走。现在应该是处于第1步热堆。换句话说，就是还没有加入氘氚进行核聚变。还在攻关稳定温度这一步，相当于不穿戏服的彩排预演。能量输出是下面好几步以后的事了。原因是氚很难取得

聚变用的材料是氘氚，氘是重水，很容易取得，量大管足，但氚就不好找了，这个取得很难，价格不是一般的高，没记错的话，目前全世界的氚总共加起来也不过20公斤。不过有一个办法，可以让聚变生产氚并以此维持。原理不复杂，氘氚聚变会多余一个不受磁场控制运动方向的中子，正常情况下，这个中子会击打在核聚变反应炉内壁，也就是第一壁上导致材料“嬗变”，也就是吸收了一个中子后的原子核会变成放射性材料，甚至变成另外一种材料，这让科学家很苦恼。


怎样提取氚？ 6park.com
但中子也能让锂-6吸收一个中子后产生一个氦-4原子核和氚原子核，所以氚不就生产出来了？从理论上来看，一个氚原子核和氘原子核聚变后产生一个中子可以产生一个氚原子，刚好形成自持，但实际效率可能没那么高，因为中子不受控制，无法四面八方布置锂-6靶标，因此需要适当补充些氚燃料。 6park.com



美国的惯性约束不能这样操作，每次都是一锤子买卖，并没有什么可持续性。 6park.com
美国说10年完成商业化？有人问怎么看？嗯，美国负责做梦，中国负责实现。在我看来这次就是美国花了几十亿元，放了一个高科技、直径4.4毫米的炮仗，用来听个响。这和以发电为目的的商业化，风马牛不相及。

南辕北撤的古代故事，虽然因为后来地球被证明为圆的球，因此有机会绕地球一圈以后达到目的。但是这种可能性可以说微乎其微，因为原来一开始方向就错了。

通过以上叙述，相信大家都已经看明白，中国和美国是怎样对待科技发展的。一个是专制主义思维，还没开始项目设计，就开始思考如何控制、如何实施和利用，直接搬来了前苏联专制社会主义国家的成熟设计。只有能受我控制，为我所用的科技才是好科技。从里到外都充满了实用主义的理性和管理者的理所当然。

另一个是民主自由的思路，不因循守旧，偏向于特立独行，走他人未走过的道路。不管三七二十一，先整出点声响。回头看美国历史上莱特兄弟，发明飞机爱迪生发明直流电，特斯拉发明交流电，以及后来的集成电路发明和发展，无一不是这个套路。从上到下都弥漫着赌徒式的冒险精神和撞大运的侥幸心理。

顾名思义，中国的磁约束核聚变，重点在约束两个字，受制约、能为我所用的能量才是好能量。而美国的惯性约束核聚变，重点在惯性两个字。先把事情搞出来，让其产生惯性，然后再沿着这个惯性摸索未来发展的道路。

孰优孰劣？端看未来发展。


贴主:balabingbang于2022_12_23 4:29:47编辑